基于FPGA實(shí)現多路模擬信號自適應采集系統的設計

0 引言

　　目前,在PCM／FM遙測體系中模擬信號采集普遍采用8位量化,全部模擬信號均歸一化到O～5 V范圍內,隨著(zhù)需要采集的模擬信號的類(lèi)型多樣化,勢必增加信號調理電路的多樣性,不利于系統的簡(jiǎn)化和模塊化。在量化位數一定的系統中,被衰減處理的信號中實(shí)際量化誤差等于N倍(N是信號被衰減的倍數)的最小量化誤差,因此合理的信號調理電路和A／D取值是保證量化精度的關(guān)鍵。本文提供的方式有效地解決了這個(gè)問(wèn)題,既簡(jiǎn)化了前端信號調理電路的復雜度,又充分利用了A／D轉換器的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍和量化位數優(yōu)勢,實(shí)現了對多路模擬信號的自適應采集,對其他信號采集系統也具有一定的借鑒意義。

　　l 系統設計

　　該系統主要由信號調理電路、采集電路和時(shí)序控制等幾部分組成。被測模擬信號經(jīng)過(guò)信號調理電路后,經(jīng)多路選擇器的快速切換,按需求依次送入A／D轉換器進(jìn)行采樣,采樣后的數據送入FPGA中處理,系統框圖如圖1所示。

系統設計的主要指標：模擬信號通道數為46路;系統采樣率大于300 Kb／s;量化位數為8位;頻率響應范圍為DC～1 kHz;通道采樣率為100 Hz,200 Hz,400 Hz,500 Hz,800 Hz,1 kHz,2 kHz,4 kHz可選;A／D轉換器允許輸入信號的最大幅度為±10 V。

　　2 系統各部分功能及實(shí)現

　　2．1 信號調理電路

　　信號調理電路主要完成被測信號的阻抗匹配和電壓變換,設計時(shí)信號調理電路均采用差分輸入電路形式。針對不同類(lèi)型的信號,通過(guò)調整電阻阻值即可實(shí)現信號的衰減、放大或者阻抗匹配,有利于電路形式的模塊化和標準化。信號調節電路如圖2所示。

整個(gè)信號調理電路采用±12 V供電,根據信號類(lèi)型將全部模擬信號調理到合適的范圍內,以便充分利用A／D的輸入動(dòng)態(tài)范圍來(lái)實(shí)現自適應采集。

　　2．2 采集電路

　　采集電路主要包括多路選擇器和A／D轉換器等,多路選擇器采用ADG406,通過(guò)級聯(lián)可以形成46路模擬信號通道,采用±12 V供電,保證調理后的信號不失真通過(guò),12根地址線(xiàn)用來(lái)控制模擬信號的切換;A／D轉換器采用AD7892-1,其具有±10 V的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍和12位的量化能力,信號輸入范圍設置為±10 V,控制線(xiàn)用來(lái)控制A／D轉換器的工作狀態(tài),并將轉換后的12位數據全部接入FPGA中進(jìn)行處理。

　　2．3 時(shí)序控制

　　時(shí)序控制通過(guò)FPGA程序來(lái)實(shí)現,主要完成多路選擇器的切換,A／D轉換器的控制和自適應采集邏輯等功能。對于多路選擇器的切換和A／D轉換器的控制邏輯,只要注意多路選擇器的開(kāi)關(guān)穩定時(shí)間和A／D轉換器的采樣時(shí)刻即可完成數據采集。自適應采集就是根據已知模擬信號的類(lèi)型自動(dòng)選擇A／D的轉換器輸出碼位來(lái)實(shí)現的。為了便于對后文的理解,表1給出AD7892-l輸入／輸出對應碼表和處理后的碼表。

前面信號調理電路根據模擬信號的類(lèi)型把信號分別調理到0～5 V,-5～-O V,-5～+5 V,O～+10 V,-10～-0 V,-10～+10 V等范圍內,結合表1的內容即可實(shí)現對模擬信號的自適應采集,保證信號的采集精度。數據自動(dòng)轉換模塊的FPGA程序示例如下：

通過(guò)測試驗證,該法是可行的。在不改變任何硬件電路的情況下,通過(guò)FPGA程序可有效實(shí)現模擬信號的動(dòng)態(tài)量化,確保信號的量化精度。通過(guò)數據處理軟件即可恢復原始信號,如圖3所示。


　　3 結語(yǔ)

　　設計的基于FPGA的多路模擬信號自適應采集系統,在有限的量化位數限制下,充分利用信號調理電路、A／D轉換器的輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍和12位的位寬,在相同的量化位數下提高了大部分模擬信號的采樣精度,具有一定的參考價(jià)值。